Hogyan működik egy hangsugárzó?

A dinamikus hangszóró az egyik legfontosabb elektroakusztikai átalakító: az erősítő kimenetén megjelenő villamos jelből mechanikai erőt, abból membránmozgást, végül pedig a levegőben terjedő nyomáshullámot hoz létre. A működés egyszerűnek tűnik - tekercs, mágnes, membrán -, de a jó hangszóró valójában összetett elektromechanikai rendszer.

1. Lorentz-erő a motorban

A lengőtekercs mágneses térben helyezkedik el. A tekercsen folyó áramra erő hat:

Jelölések: F a lengőcsévére ható erő newtonban, B a mágneses fluxussűrűség teslában, l a mágneses térben lévő hatásos vezetékhossz méterben, I az áram amperben. A Bl szorzat a hangszóró erőtényezője, mértékegysége N/A.

A Bl erőtényező a mágneses fluxussűrűség és a mágneses térben aktív vezetőhossz szorzata. Nagyobb Bl adott áramnál nagyobb motorerőt jelent, de a teljes rendszer viselkedése függ a mozgó tömegtől, rugalmasságtól, elektromos ellenállástól és a doboztól is.

2. A visszaindukált feszültség

A mozgó tekercs generátorként is működik: sebességével arányos ellenfeszültséget indukál. Ez az elektromechanikai visszacsatolás a hangszóró impedanciájában és csillapításában is megjelenik.

Jelölések: e a mozgás által indukált ellenfeszültség voltban, Bl az erőtényező, v a lengőcséve sebessége méter/másodpercben. A megadott alak az ellenfeszültség nagyságát írja le; iránya Lenz törvénye szerint a változást ellenzi.

Az elektromechanikai csatolás az elektromos kapocsimpedanciában is visszajelenik:

Jelölések: Z_e a bemeneti elektromos impedancia, R_e a tekercs egyenáramú ellenállása, L_e az induktivitása, s a komplex frekvencia, Z_mech pedig a mechanikai impedancia. Az utolsó tag a mechanikai rendszer elektromos oldalra visszaható terhelése.

Jelölések: R_ms a mechanikai veszteség, M_ms a mozgó tömeg, C_ms a mechanikai engedékenység. A három tag rendre a csillapítás, a tehetetlenség és a rugalmasság mechanikai impedanciáját adja.

A mechanikai rezonancia környezetében a visszaható mozgási impedancia miatt alakul ki a jellegzetes elektromos impedanciacsúcs. Ez szemléletesen mutatja, hogy az elektromos és mechanikai rendszer nem két külön világ.

3. Membrán, pille, perem, lengőtekercs

A membrán célja, hogy megfelelő merevség/tömeg aránnyal mozgassa a levegőt. A pille és a perem pozicionálja a mozgórendszert, rugalmas visszatérítő erőt ad, és meghatározza a mechanikai compliance egy részét. Nagy kitérésnél a felfüggesztés nemlineárissága torzítást okozhat.

4. Rezonancia és Thiele-Small-paraméterek

A kisjelű hangszóró-modellek legfontosabb paraméterei közé tartozik az Fs rezonanciafrekvencia, Re DC-ellenállás, Qes/Qms/Qts jósági tényezők, Vas ekvivalens compliance-térfogat, Sd effektív membránfelület, Mms mozgó tömeg és Bl motorerőtényező.

Ezek nem „hangminőségpontszámok”. Arra szolgálnak, hogy a transzducer kisjelű viselkedését modellezzük és megfelelő akusztikai terhelést, például zárt vagy bass-reflex dobozt tervezzünk.

A jósági tényezők kapcsolata:

Jelölések: Q_ts a teljes, Q_es az elektromos, Q_ms pedig a mechanikai jósági tényező. A reciprokok összeadása azt fejezi ki, hogy az elektromos és mechanikai veszteség együtt határozza meg a teljes csillapítást.

Q_es az elektromos, Q_ms a mechanikai csillapítást, Q_ts pedig az eredő kisjelű csillapítást jellemzi. Ezek a paraméterek a dobozméretezéshez fontosak, de nagy kivezérlésnél Bl(x), Kms(x), Le(x) és a hőmérséklet változása miatt a rendszer kilép a kisjelű modellből.

5. Zárt doboz

A zárt kabinetben a bezárt levegő további rugóként viselkedik. A rendszer másodrendű magasáteresztő jellegű akusztikai választ ad. A doboz térfogata a rendszer rezonanciáját és Q-ját meghatározza.

Ideális kisjelű közelítésben a zárt doboz 2. rendű akusztikai felüláteresztő viselkedést mutat, így a rezonancia alatt kb. 12 dB/oktáv esés jellemző. Ez egyszerűbb fázis- és tranziensviselkedést ad, de a mély kiterjesztésért nagyobb membránkitéréssel kell fizetni.

6. Bass-reflex

A reflexnyílásban vagy csőben lévő levegőtömeg és a doboz levegőjének rugalmassága Helmholtz-rezonátort alkot. Hangolási frekvencia környékén a port jelentős akusztikai teljesítményt sugároz, miközben a membránkitérés csökkenhet. A hangolás alatt viszont a membrán gyorsan „tehermentesül”, ezért nagy teljesítményen excursion-védelemre lehet szükség.

A bass-reflex rendszer a port és a membrán csatolt rezonanciája miatt 4. rendű jellegű; a hangolás alatt az akusztikai esés közel 24 dB/oktáv lehet, és a membrán kitérése gyorsan megnő. Emiatt nagy teljesítményű reflex rendszerben a megfelelő high-pass védelem nem opcionális.

7. Directivity - miért szűkül a magas?

Amikor a sugárzó mérete már összemérhető a hullámhosszal, az irányítás szűkülni kezd. Ezért egy nagy átmérőjű mélyközép membrán magas frekvencián „beam-el”. Többutas rendszerben ezért a crossover-frekvenciát és a magas sugárzó tölcsérének directivity-jét együtt kell választani.

Az irányítottság egyik alapparamétere ka, ahol k=2π/λ és a az effektív membránsugár. ka<1 körül a sugárzás széles, ka≈2 fölött egyre erősebb a nyalábolás (beaming). Ezért egy nagy átmérőjű mélyközép nem vihető tetszőlegesen magas crossover-frekvenciáig anélkül, hogy az off-axis energia össze ne omoljon.

8. Kompressziós driver és tölcsér

Professzionális rendszerekben a magas tartományban gyakori a kompressziós driver. A kis membrán egy fázisdugón keresztül tölcsért hajt meg. A tölcsér akusztikai transzformátorként növeli a csatolás hatásfokát és kontrollálja az irányítást.

A kompressziós driver fázisdugója nem dekoráció: a membrán különböző pontjaitól a torokig vezető utak hosszát igyekszik kiegyenlíteni. Tervezési cél, hogy a legrövidebb és leghosszabb akusztikai út különbsége jóval kisebb legyen a legmagasabb átvinni kívánt frekvencia fél hullámhosszánál, így csökken a torkolati destruktív interferencia.

9. Torzítás

Nemlineáris motorerő, induktivitásváltozás, aszimmetrikus felfüggesztés, membránfelbomlás, portzaj és termikus hatások mind torzítást okozhatnak. A harmonikus torzítás mellett intermoduláció és kompresszió is releváns.

10. A membrán dugattyús tartománya és breakup

Alacsonyabb frekvencián a membrán közel merev dugattyúként mozoghat. Frekvencia növelésével azonban a membrán különböző részei már nem azonos fázisban mozognak; saját rezgési módusok, úgynevezett breakup-jelenségek jelennek meg. Ezek csúcsokat, kioltásokat és torzítást okozhatnak.

Az anyagválasztás kompromisszum. Merev anyag magasabbra tolhatja a breakupot, de erős rezonanciát hozhat létre; csillapítottabb anyag szelídebben viselkedhet, de más tömeg/merevség kompromisszumot ad.

11. Xmax, Xmech és valódi kitérés

Xmax a lineáris kitérés valamely gyártói vagy szabványos definíció szerinti becslése. Xmech a mechanikai ütközéshez vagy sérüléshez kapcsolódó nagyobb határ lehet. A kettő között a hangszóró még mozoghat, de torzítása és motorlineárisága már romolhat.

12. Bl(x), Kms(x), Le(x)

Nagyjelű modellezésben a motorerőtényező Bl, a felfüggesztés merevsége Kms és az induktivitás Le a kitérés függvényében változhat. Ha a görbék aszimmetrikusak, páros harmonikus torzítás és munkapont-eltolódás is kialakulhat. A modern Klippel-jellegű mérések ezekből sokkal többet mutatnak, mint egyetlen THD-szám.

13. Tölcsér és waveguide

A waveguide fő célja sok modern rendszerben az iránykarakterisztika kontrollja és a magas driver akusztikai terhelése. A tölcsér geometriája meghatározza a hullámfront fejlődését, a lefedettségi szöget és a directivity-frekvencia kapcsolatot. A „90° × 60°” adat csak névleges; valós lefedettség frekvenciafüggő.

14. Koaxiális és point-source konstrukciók

Koaxiális rendszerben a magas sugárzó akusztikai középpontja közelebb kerülhet a mélyközép tengelyéhez, ami bizonyos irányokban javíthatja a crossover körüli térbeli koherenciát. Ugyanakkor a mélyközép membránja waveguide-ként is viselkedhet, és saját diffrakciós/intermodulációs kompromisszumokat hozhat.

15. Miért nem egyenlő a membránátmérő a „basszussal”?

Nagyobb átmérő általában nagyobb Sd-t ad, de a mélyátvitel függ Fs, Vas, Qts, Xmax, dobozméret és hangolás kombinációjától. Egy 15 colos driver nem automatikusan megy mélyebbre, mint egy 12 colos; lehet, hogy érzékenyebb középbasszusra tervezték, míg a kisebb driver hosszabb kitérésű.

Források és szakmai háttér

• Audio Engineering Society - Loudspeakers and Sound Reinforcement
• Beranek & Mellow: Acoustics: Sound Fields and Transducers.
• Klippel, W.: loudspeaker nonlinear measurement and modeling publications.
• Thiele, A. N.; Small, R. H. - loudspeaker system analysis papers.